在量子互联网尚处于「拨号时代」之际，来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究团队近日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了一项重要研究，提出了一种全新的「光-存储纠缠」方法。该突破有望大幅提高量子信息的传输速度，为构建未来的量子互联网奠定基础。
在量子互联网尚处于「拨号时代」之际，来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究团队近日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了一项重要研究，提出了一种全新的「光-存储纠缠」方法。该突破有望大幅提高量子信息的传输速度，为构建未来的量子互联网奠定基础。
目前，即便是最先进的量子网络原型，其信息传输速率仍然极为缓慢，往往仅为每秒数比特，甚至在最佳情况下也仅能达到 100 比特每秒。而实现实际应用所需的速率远高于此。「一个真正可用于现实世界的量子网络，需要达到每秒兆比特级别的数据传输速率，」UChicago PME 助理教授钟天（Tian Zhong）表示。「我们的研究表明，这一速率可以提升至每秒 10 至 50 兆比特。」
突破光与存储之间的壁垒
量子通信的核心在于量子纠缠的传输。然而，由于纠缠信息通常是通过光子来传输，而光子在传播过程中极易被介质吸收，从而导致信息丢失。因此，在传统的量子网络架构中，随着网络节点的增加，纠缠的传输效率会急剧下降。
为了解决这一问题，研究团队提出了一种「量子中继器」（Quantum Repeater）方案。该装置能够有效存储并转移光子的量子纠缠，从而实现更远距离的信息传输。「如果没有量子中继器，量子纠缠的传输范围受到物理限制，无法直接跨越长距离，」第一作者 Hoi-Kwan Lau 表示。「假设你想传输到百公里外，我们的方案可在每 10 公里处放置一个中继器，使量子信息逐步跳跃传输，最终覆盖更远的距离。」
研究显示，该量子中继器不仅可以提高量子通信的传输效率，还能够克服光子与存储设备（通常为原子）之间的相互作用难题。钟天教授指出：「光子用于信息传输，而存储通常基于物质，如原子。但它们本质上并不『喜欢』相互作用。我们的研究证明，通过适当的方法，可以让二者『对话』，从而加速量子纠缠的生成。」
迈向真正的量子互联网
量子计算的价值在于提供超越经典计算的能力，而其应用场景包括安全通信、先进模拟和复杂优化问题等。然而，目前量子计算机的能力仍然受限，部分原因在于量子信息难以远距离共享。
「在未来的量子时代，我们设想的并不是仅有少数人能使用的中央量子计算机，而是多个量子计算机连接在一起，让普通用户也能利用量子计算的强大能力，」钟天教授表示。「在这一过程中，量子纠缠的传输速度至关重要。」
传统的经典通信依赖于信息的「克隆」——即通过复制信号的方式进行远距离传输。然而，量子信息由于量子力学的不确定性和「测量塌缩」特性，无法被复制。因此，研究团队提出的量子中继器为量子互联网的实现提供了新的可能性。
从理论走向实验
目前，该研究仍处于理论阶段，下一步的关键是将其转化为现实实验。研究合著者、UChicago PME 教授 Aashish Clerk 指出：「这一技术在概念上很简单，但是否真的能够满足量子通信的需求，仍然需要实验验证。我们的分析表明，它确实具备可行性，并且能够在实际设备中实现。」
Hoi-Kwan Lau 也补充道：「我们的研究提出了一种可能的实现方案，接下来的挑战是如何在实验环境中将其变为现实。这项研究不仅验证了这一设想的理论可行性，同时也为未来的实验提供了指导。」
量子互联网的发展仍然面临诸多挑战，但这项研究的突破为全球量子通信的下一步发展提供了重要指引。随着实验研究的深入，未来量子计算机之间的信息传输速度或将迎来革命性的飞跃。
来源：互联网
